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date created: 星期四, 十一月 20日 2025, 8:40:05 晚上
date modified: 星期四, 十一月 20日 2025, 8:48:20 晚上
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# 2.2.1 锁页内存管理与分配策略 (Page-Locked&Pinned Memory Management)

### 一、 约束输入与对齐 (Constraints & Alignment)

根据前序审计与设计文档，我们面临以下**硬性约束**：

1. **OS 内存机制**: Kylin V10 (Linux) 使用虚拟内存分页。普通的 `malloc/new` 分配的是**可分页内存 (Pageable Memory)**。
2. **DMA 物理限制**: GPU 的 DMA 引擎（Copy Engine）需要访问**物理地址**。如果使用可分页内存，驱动必须先隐式锁定页面（CPU 开销），再分块传输，导致带宽严重下降。
3. **吞吐量目标**: 雷达接收模块要求 **\> 10,000 packets/sec**。频繁的系统调用（`malloc` / `free` / `cudaMallocHost`）是不可接受的。
4. **硬件平台**: 智铠 MR-V100 的 SDK (CoreX) 兼容 CUDA 10.2 API。

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### 二、 权衡分析与选项呈现 (Trade-off Matrix)

#### 议题 1：锁页内存申请 API (Allocation API)

| 选项 | A. `cudaMallocHost` (推荐) | B. `malloc` + `cudaHostRegister` |
| :--- | :--- | :--- |
| **机制** | 直接由 GPU 驱动在内核态分配**物理连续**（尽可能）且**已锁定**的内存。 | 用户先申请普通内存，再通知驱动去锁定这些页面。 |
| **DMA 性能** | **最高**。驱动对物理地址布局有完全控制权，TLB 命中率高。 | **中等/高**。取决于 OS 分配的物理页碎片化程度。 |
| **UVA 适配性** | **完美**。配合 `cudaHostAllocMapped` 标志，可直接映射到 GPU 地址空间（为 2.2.4 铺路）。 | **较差**。虽然也支持 Mapped，但对齐要求严格，容易出错。 |
| **CPU 开销** | 分配时开销极大（重系统调用），必须配合**内存池**使用。 | 注册/注销开销大，同样需要配合内存池。 |

#### 议题 2：内存池架构 (Pool Architecture)

| 选项 | A. 预分配固定块池 (Fixed-Block Pool) (推荐) | B. 动态堆内存池 (Dynamic Heap) |
| :--- | :--- | :--- |
| **机制** | 启动时申请一大块内存（如 512MB），切分为 N 个固定大小（如 64KB）的块。 | 像 OS 堆一样支持任意大小的 `alloc/free`。 |
| **适配场景** | **雷达原始数据**。脉冲/包大小通常是固定的或有明确上限。 | 通用计算，大小不一的对象。 |
| **性能** | **O(1) 极速分配**。无内存碎片。 | O(log n) 分配。存在外部碎片风险。 |
| **设计一致性** | 符合 `01_数据接收模块设计.md` 中定义的 `packet_block_size_kb`。 | 增加不必要的复杂度。 |

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### 三、 基线确立与论证

基于上述分析，针对 **2.2.1 锁页内存管理与分配策略**，确立以下工程基线：

#### 1\. 分配 API 基线：`cudaMallocHost` + `cudaHostAllocMapped`

  - **决策**：摒弃标准的 `new/malloc`，**强制**使用 GPU 运行时 API `cudaMallocHost` (在 CoreX SDK 中对应同名 API) 分配所有用于 H2D 传输的缓冲区。
  - **标志位 (Critical)**：必须使用 **`cudaHostAllocMapped`** 标志。
      - *论证*：这不仅锁定了页面，还将其映射到了 GPU 的统一地址空间（UVA）。这是实现后续 **2.2.4 零拷贝技术** 的先决条件。如果没有此标志，GPU 无法通过 PCIe 直接访问这块 CPU 内存。
  - **对齐约束**：`cudaMallocHost` 自动保证了页面对齐（通常 4KB 或 64KB），满足 DMA 要求。

#### 2\. 内存池策略：静态预分配 + 固定块管理

  - **决策**：在系统初始化阶段（`initialize()`）一次性分配所有所需的锁页内存，**严禁**在 `start()` 后的运行时路径中调用 `cudaMallocHost`。
  - **实现细节**：
      - **池大小**：依据设计文档，预分配 **256MB**。
      - **块大小**：**64KB**。这足以容纳 9000 字节的 JUMBO Frame，且对齐友好。
      - **管理结构**：使用简单的 `std::stack<void*>` 或无锁队列 `SPSC` 管理空闲块指针，实现 O(1) 复杂度的获取与归还。

#### 3\. 伪代码规范 (C++14 Standard)

```cpp
// 基线实现范式
void* d_ptr; // Device pointer (mapped)
void* h_ptr; // Host pointer

// 1. 必须使用 Mapped 标志以启用 UVA (为 2.2.4 准备)
// 2. 必须使用 Portable 标志以支持多 GPU 上下文 (尽管目前是单卡，但在异构设计中是好习惯)
unsigned int flags = cudaHostAllocMapped | cudaHostAllocPortable;

// 3. 分配 - 仅在初始化阶段执行
cudaError_t err = cudaHostAlloc(&h_ptr, POOL_SIZE_BYTES, flags);
if (err != cudaSuccess) {
    // 触发 Fatal Error 事件
}

// 4. 获取对应的 Device 指针 (用于后续 2.2.4 Zero-Copy)
cudaHostGetDevicePointer(&d_ptr, h_ptr, 0);

// … 将 h_ptr 切分为 64KB 的块放入 free_list …
```

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**下一步行动**：

我们已确立了**如何分配**这块特殊的“高速内存”。接下来，我们需要讨论**如何调度**这块内存的传输，即 **2.2.2 异步流水线与计算通信重叠**，这将决定 GPU 的 Copy Engine 是否能被充分利用，从而掩盖 PCIe 带宽瓶颈。

**提问**：您是否同意使用带有 `Mapped` 标志的 `cudaMallocHost` 作为分配基线？确认后我们将进入 2.2.2 讨论三级流水线设计。